楊林
摘 要:隨著城市化進(jìn)程在我國的不斷推進(jìn),城市土地資源愈加緊張起來,有限的城市空間使得地面交通壓力變大,各主要城市紛紛在地下修建地鐵軌道,通過運(yùn)行地鐵軌道交通列車來緩解地面交通壓力。而地鐵列車需要使用地鐵牽引系統(tǒng)來支持其正常運(yùn)行,因此確保地鐵牽引系統(tǒng)穩(wěn)定是非常有必要的。本文試對(duì)地鐵牽引系統(tǒng)穩(wěn)定性的提升控制措施進(jìn)行探索和研究。
關(guān)鍵詞:地鐵牽引系統(tǒng);穩(wěn)定性;性能提升;控制措施
地鐵牽引系統(tǒng)的穩(wěn)定性依托于系統(tǒng)參數(shù)的正確匹配,若是參數(shù)配置錯(cuò)誤,將會(huì)導(dǎo)致牽引系統(tǒng)出現(xiàn)交流、直流電壓電流振蕩,若是振蕩較為劇烈、達(dá)到一定程度,便會(huì)啟動(dòng)逆變器的保護(hù)裝置,使?fàn)恳到y(tǒng)的供電被強(qiáng)行終止,牽引系統(tǒng)穩(wěn)定性因此而大打折扣。數(shù)十年來,我國及國外學(xué)者都試圖提出各種方案來解決牽引系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題,目前,已經(jīng)取得了可喜的成就。
1 牽引傳統(tǒng)系統(tǒng)及其存在的振蕩問題
地鐵所使用的牽引傳統(tǒng)系統(tǒng)由LC濾波器、感應(yīng)電機(jī)、控制系統(tǒng)以及牽引變流器四大部分組成,其中控制系統(tǒng)通過接收地鐵司機(jī)的手柄傳輸轉(zhuǎn)矩指令,結(jié)合感應(yīng)電機(jī)產(chǎn)生的電流與轉(zhuǎn)子角速度等參考信息,控制系統(tǒng)可以開啟或關(guān)閉牽引逆變器,使其橋臂可以精準(zhǔn)地控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。
由于牽引系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)具有極為復(fù)雜的工作狀況,很難通過直觀描述來體現(xiàn)出來,因此可以基于小信號(hào)分析法簡化牽引系統(tǒng)為一種等效電路模型,見圖1,其中所涉及的參數(shù)包括:①R:直流側(cè)線路與電抗(L)的總和;②U:直流網(wǎng)側(cè)電壓;③is:網(wǎng)側(cè)電流,若逆變器的輸出功率P始終保持不變,則等效電流源id等于P/Ud,在本研究中額定電壓Ud設(shè)定為1500V則計(jì)算得出網(wǎng)側(cè)電流is為280A,基于這樣的參數(shù)設(shè)定,可計(jì)算出逆變器與感應(yīng)電機(jī)二者阻抗之和為Zd=Ud·Ud/P,負(fù)阻抗為其主要特性表現(xiàn)。④Δ:小信號(hào),為變量。這一模型的線性狀態(tài)空間可以使用如下方程表達(dá)式來描述,即:
(1);而小信號(hào)的表達(dá)
式為:(2)。若要確保牽引系統(tǒng)穩(wěn)定,則必
須要滿足首要條件,即:P/(Ud·Ud)2 提升控制措施
2.1 抑制直流側(cè)振蕩
分析牽引系統(tǒng)的振蕩問題可以發(fā)現(xiàn),若是能在轉(zhuǎn)矩控制上實(shí)現(xiàn)對(duì)直流側(cè)電壓的控制,則可以有效抑制振蕩的發(fā)生,在抑制過程中,牽引逆變器所具有的特性由正阻抗形式體現(xiàn)出來,恰好可以彌補(bǔ)因負(fù)阻抗而帶來的阻尼減小問題,LC濾波器所發(fā)生的振蕩也會(huì)得到有效抑制,牽引系統(tǒng)的穩(wěn)定性也將得到良好的控制?;谶@樣的基礎(chǔ)思想,設(shè)計(jì)者與維護(hù)者可以通過低通濾波器來獲取電容電壓直流分量,隨后在結(jié)合高通濾波器,通過與低通濾波器的串聯(lián)來獲取電容電壓振蕩分量,在濾波器和高通濾波器的串聯(lián)下,高頻分量可以被過濾、除去,電壓信號(hào)諧振動(dòng)頻率也會(huì)得到相應(yīng)的延時(shí)補(bǔ)償。在分析振蕩抑制時(shí),考慮到濾波器振蕩所具有的小周期性,可建設(shè)電機(jī)速度始終保持不變,結(jié)合牽引系統(tǒng)的控制轉(zhuǎn)矩,可以得出如下結(jié)論:在對(duì)直流側(cè)振蕩進(jìn)行控制時(shí)可以借助牽引逆變器所具有的正阻抗特性來實(shí)現(xiàn)有效的震蕩抑制。在上文所提及的模型中,設(shè)計(jì)者與維護(hù)者可添加振蕩抑制環(huán)節(jié),在添加后需驗(yàn)證其穩(wěn)定性控制效果,以下狀態(tài)空間表達(dá)式即為所獲得的新小信號(hào):
(3)。
而通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn),在增加了振蕩抑制環(huán)節(jié)之后,牽引系統(tǒng)的直流側(cè)濾波器并沒有再出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象,系統(tǒng)始終平穩(wěn)運(yùn)行,因此證明此方法確實(shí)可以有效提升牽引系統(tǒng)穩(wěn)定性。
2.2 時(shí)延補(bǔ)償
若要實(shí)現(xiàn)對(duì)振蕩抑制的準(zhǔn)確分析,則要滿足“轉(zhuǎn)矩指令精確”這一前提保障條件。然而在現(xiàn)實(shí)操作中,受到濾波延遲、控制器處理時(shí)間等因素的影響,整個(gè)牽引系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)一定程度的延遲。若是傳統(tǒng)系統(tǒng)具有較高的功率,開關(guān)的功率同樣比較高,那么牽引系統(tǒng)將會(huì)帶來明顯的相位滯后表現(xiàn),這種表現(xiàn)所帶來的影響也是非常大的,牽引系統(tǒng)很可能在動(dòng)態(tài)性能上出現(xiàn)明顯的變化,最終導(dǎo)致調(diào)節(jié)器中止運(yùn)行,而調(diào)節(jié)器停止工作會(huì)導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)速搖擺,引起電流振蕩。對(duì)于這種情況,可以采取間接的方式進(jìn)行時(shí)延補(bǔ)償,因此來避免電流振蕩的發(fā)生。
在牽引系統(tǒng)中增加時(shí)延補(bǔ)償環(huán)節(jié)同樣需要通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證其可行性。假設(shè)某地鐵牽引系統(tǒng)的直流側(cè)電壓為1.5kV,輸入電流設(shè)為500A,輸出頻率不高于112Hz,在地鐵列車不斷加速運(yùn)行的狀態(tài)下為其給予時(shí)延補(bǔ)償,可以發(fā)現(xiàn)地鐵達(dá)到25km/h這一車速時(shí)列車尚處于惰性工況,待車速提至50km/h,則牽引系統(tǒng)的振蕩問題得到了有效抑制,可見上文所提即的時(shí)延補(bǔ)償方案與振蕩抑制方案均具有鮮明的可行性與有效性。
3 結(jié)語
地鐵牽引系統(tǒng)由逆變器、電機(jī)等部分組成,針對(duì)其發(fā)生的振蕩問題,可以通過采取“振蕩抑制”與“時(shí)延補(bǔ)償”等方案進(jìn)行解決,而本文證實(shí)了這些方案的可行性,地鐵牽引系統(tǒng)可借由這些措施來提升控制系統(tǒng)穩(wěn)定性。
參考文獻(xiàn)
[1]張全.試論地鐵牽引系統(tǒng)穩(wěn)定性提升控制[J].中國設(shè)備工程,2016,(14):41-42.
(作者單位:重慶市軌道交通(集團(tuán))有限公司)